RU2572117C1 - Method of production of superalloys based on nickel and alloyed by rare-earth metals - Google Patents
Method of production of superalloys based on nickel and alloyed by rare-earth metals Download PDFInfo
- Publication number
- RU2572117C1 RU2572117C1 RU2014140419/02A RU2014140419A RU2572117C1 RU 2572117 C1 RU2572117 C1 RU 2572117C1 RU 2014140419/02 A RU2014140419/02 A RU 2014140419/02A RU 2014140419 A RU2014140419 A RU 2014140419A RU 2572117 C1 RU2572117 C1 RU 2572117C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- melt
- charge
- metal
- alloy
- refining
- Prior art date
Links
Abstract
Description
Изобретение относится к области металлургии, а именно к производству жаропрочных (в том числе литейных и деформируемых) сплавов на основе никеля, легированных редкоземельными металлами (далее - РЗМ). Изобретение может быть использовано для изготовления лопаток, дисков, створок и других деталей газотурбинных двигателей.The invention relates to the field of metallurgy, and in particular to the production of heat-resistant (including cast and wrought) nickel-based alloys alloyed with rare-earth metals (hereinafter - REM). The invention can be used for the manufacture of blades, discs, wings and other parts of gas turbine engines.
Одним из основных требований к таким сплавам является их ультравысокая чистота по вредным примесям: сере, кислороду, азоту, кремнию, фосфору, и примесям цветных металлов, что необходимо для получения высококачественных бездефектных деталей двигателя.One of the main requirements for such alloys is their ultra-high purity in terms of harmful impurities: sulfur, oxygen, nitrogen, silicon, phosphorus, and non-ferrous metal impurities, which is necessary to obtain high-quality defect-free engine parts.
Сера является одной из наиболее вредных примесей в литейных жаропрочных сплавах, она образует с компонентами сплавов неметаллические включения в виде сульфидов, которые являются концентраторами напряжений, инициирующими зарождение трещин при эксплуатации деталей, и тем самым ухудшают механические свойства сплавов, такие как длительная прочность, пластичность и усталость. Кроме того, отмечается отрицательное влияние серы, находящейся в жаропрочных сплавах даже на уровне нескольких ppm (1 ppm=0,0001%), на стойкость защитных покрытий к высокотемпературному окислению и сульфидной коррозии.Sulfur is one of the most harmful impurities in casting heat-resistant alloys, it forms non-metallic inclusions with sulfide components with alloy components, which are stress concentrators that initiate crack nucleation during operation of parts, and thereby worsen the mechanical properties of alloys, such as long-term strength, ductility and fatigue. In addition, there is a negative effect of sulfur, which is in heat-resistant alloys, even at the level of several ppm (1 ppm = 0.0001%), on the resistance of protective coatings to high-temperature oxidation and sulfide corrosion.
Кислород также понижает свойства жаропрочных сплавов, при его повышенных концентрациях снижается время до разрушения при испытаниях на длительную прочность, поскольку образующиеся оксидные неметаллические включения являются источниками зарождения трещин при эксплуатации деталей.Oxygen also lowers the properties of heat-resistant alloys, with its increased concentrations, the time to failure decreases during tests for long-term strength, since the resulting oxide non-metallic inclusions are sources of crack nucleation during operation of parts.
При повышенном содержании азота образующиеся нитриды выделяются внутри монокристалла и являются, с одной стороны, концентраторами напряжений, инициирующими зарождение трещин, а с другой стороны, источником гетерогенного зарождения «паразитных» зерен в монокристаллах при направленной кристаллизации. Нитриды могут закрывать каналы дендритов и снижать жидкотекучесть последней порции жидкости, вызывая появление микропористости. Таким образом, эти включения существенно снижают выход годных лопаток, а также уровень и стабильность их эксплуатационных свойств.With an increased nitrogen content, the formed nitrides are released inside the single crystal and are, on the one hand, stress concentrators that initiate crack nucleation, and on the other hand, a source of heterogeneous nucleation of “spurious” grains in single crystals during directed crystallization. Nitrides can close the channels of dendrites and reduce the fluidity of the last portion of the liquid, causing the appearance of microporosity. Thus, these inclusions significantly reduce the yield of the blades, as well as the level and stability of their operational properties.
Отрицательное влияние кремния на структуру и свойства никелевых жаропрочных сплавов объясняется тем, что он замещает в γ′-фазе такие легирующие элементы, как гафний, титан и ниобий, ухудшая ее фазовую стабильность и ускоряя процесс коагуляции при повышенных температурах. За счет этого снижается длительная прочность и пластичность сплавов.The negative effect of silicon on the structure and properties of heat-resistant nickel alloys is explained by the fact that it replaces alloying elements such as hafnium, titanium, and niobium in the γ′-phase, worsening its phase stability and accelerating the coagulation process at elevated temperatures. Due to this, the long-term strength and ductility of the alloys is reduced.
Фосфор также отрицательно влияет на свойства жаропрочных сплавов, в том числе на длительную прочность и пластичность при повышенных температурах.Phosphorus also negatively affects the properties of heat-resistant alloys, including long-term strength and ductility at elevated temperatures.
Также известно о вредном воздействии примесей цветных металлов: свинца, висмута, теллура, таллия, сурьмы, серебра, олова, меди - на свойства жаропрочных никелевых сплавов. Совокупное влияние этих примесей, а также влияние их по отдельности, проявляющееся в снижении длительной прочности и относительного удлинения, связывают с ликвацией этих примесей на границы зерен и увеличением парообразования на этих границах при ползучести материала.It is also known about the harmful effects of non-ferrous metal impurities: lead, bismuth, tellurium, thallium, antimony, silver, tin, copper - on the properties of heat-resistant nickel alloys. The combined effect of these impurities, as well as their separate effect, manifested in a decrease in long-term strength and elongation, is associated with the segregation of these impurities at grain boundaries and an increase in vaporization at these boundaries during creep of the material.
Поскольку образующиеся отходы (головные и донные части слитков, отходы литейного производства - части литниковых и питательных систем, отходы производства деформируемых сплавов - обрезь со штамповочными дефектами, бракованные детали и т.д.) загрязнены вредными примесями и неметаллическими включениями, их применение при выплавке жаропрочных сплавов требует разработки способов производства, включающих удаление этих примесей из расплава.Since the generated waste (head and bottom parts of ingots, foundry waste - parts of gating and feeding systems, deformable alloy production waste - trimmings with stamping defects, defective parts, etc.) are contaminated with harmful impurities and non-metallic inclusions, their use in heat-resistant smelting alloys requires the development of production methods, including the removal of these impurities from the melt.
Известен способ производства никелевых жаропрочных сплавов методом вакуумной индукционной плавки с использованием тигля из оксида кальция (СаО) и добавкой алюминия. В присутствии алюминия происходит взаимодействие материала тигля (СаО) и серы, находящийся в расплаве, с образованием шлака по реакции:A known method for the production of heat-resistant nickel alloys by vacuum induction melting using a crucible of calcium oxide (CaO) and the addition of aluminum. In the presence of aluminum, the material of the crucible (CaO) reacts with the sulfur in the melt to form slag by the reaction:
3СаО+2Аl+3S=3CaS+Аl2О3 (Jianping Niu, Kenu Yang, Tao Jin, Xiaofeng Sun, Hengrong Guan and Zhuangqi / Desulphurization during VIM Refming Ni-base Superalloy using СаО crucible / J. Mater. Sci. TechnoL, Vol.19, №1, p.69-72, 2003).3CaO + 2Al + 3S = 3CaS + Al 2 O 3 (Jianping Niu, Kenu Yang, Tao Jin, Xiaofeng Sun, Hengrong Guan and Zhuangqi / Desulphurization during VIM Refming Ni-base Superalloy using CaO crucible / J. Mater. Sci. TechnoL, Vol.19, No. 1, p.69-72, 2003).
Недостатком известного способа является то, что в состав большинства жаропрочных сплавов на никелевой основе уже входит алюминий, поэтому дополнительное его введение порядка 0,5 мас.% не окажет влияния на содержание в сплаве вредных примесей. Кроме того, выплавка в тигле из СаО приводит к возможному неконтролируемому переходу кальция в расплав, что может неблагоприятно сказаться на механических свойствах получаемого сплава.The disadvantage of this method is that the majority of heat-resistant nickel-based alloys already include aluminum, therefore its additional introduction of the order of 0.5 wt.% Will not affect the content of harmful impurities in the alloy. In addition, melting in a crucible from CaO leads to a possible uncontrolled transition of calcium to the melt, which can adversely affect the mechanical properties of the resulting alloy.
Известен способ получения сплавов на никелевой основе методом электрошлакового переплава (ЭШП), включающий предварительную подготовку отходов, сваривание расходуемого электрода и ЭШП этих электродов под слоем флюса (Жеребцов С.Н., Коростелев А.Б. Электрошлаковый переплав металлоотходов никелевых сплавов // Электрометаллургия, №4, с. 19-23, 2011).A known method for producing nickel-based alloys by the method of electroslag remelting (ESR), including preliminary preparation of waste, welding of a consumable electrode and ESR of these electrodes under a flux layer (Zherebtsov S.N., Korostelev A.B. Electroslag remelting of metal waste from nickel alloys // Electrometallurgy, No. 4, pp. 19-23, 2011).
Недостатком этого способа является необходимость сваривания из отходов расходуемых электродов, чему препятствует разногабаритность отходов. Кроме того, плавка на воздухе приводит к окислению дорогостоящих легирующих компонентов, обладающих повышенным сродством к кислороду, и приводит к безвозвратным потерям при плавке, а также образованию неметаллических включений в виде оксидов и нитридов.The disadvantage of this method is the need for welding of waste consumable electrodes, which prevents the oversized waste. In addition, smelting in air leads to the oxidation of expensive alloying components with increased affinity for oxygen, and leads to irretrievable losses during smelting, as well as the formation of non-metallic inclusions in the form of oxides and nitrides.
Известен способ получения литейных жаропрочных сплавов на никелевой основе, включающий загрузку и расплавление отходов литейного производства никелевых сплавов, рафинирование отходов в вакууме и введение РЗМ. Рафинирование отходов осуществляют в вакууме 3 10-2-10-3 мм рт.ст. при температуре расплава 1500-1700°С в течение 2-8 мин, а РЗМ вводят в количестве 0,015-0,20% от массы отходов (RU 2190680 С1, 10.10.2002).A known method for producing casting heat-resistant nickel-based alloys, including loading and melting waste from the foundry of nickel alloys, refining waste in vacuum and introducing rare-earth metals. Refining of waste is carried out in a vacuum of 3 10 -2 -10 -3 mm RT.article at a melt temperature of 1500-1700 ° C for 2-8 minutes, and rare-earth metals are introduced in an amount of 0.015-0.20% of the mass of waste (RU 2190680 C1, 10.10.2002).
Недостатком способа является то, что рафинирование расплава происходит недостаточно глубоко - за счет введения рафинирующего вещества после расплавления, сокращается время его взаимодействия с расплавом, образовавшиеся неметаллические включения (соединения РЗМ с серой, кислородом и азотом) не успевают полностью адсорбироваться на стенках тигля.The disadvantage of this method is that the refining of the melt does not occur deep enough - due to the introduction of the refining substance after melting, the time of its interaction with the melt is reduced, the non-metallic inclusions formed (rare-earth metals with sulfur, oxygen and nitrogen) do not have time to completely adsorb on the walls of the crucible.
Известен способ производства безуглеродистых литейных жаропрочных сплавов на никелевой основе, включающий расплавление в вакууме чистых шихтовых материалов, обезуглероживающее рафинирование с введением окислителя в атмосфере инертного газа и последующее введение в вакууме хрома, активных легирующих элементов, РЗМ и рафинирование кальцием (RU 2310004 С2, 10.11.2007).A known method for the production of carbon-free casting heat-resistant nickel-based alloys, including melting in a vacuum pure charge materials, decarburizing refining with the introduction of an oxidizing agent in an inert gas atmosphere and the subsequent introduction of chromium, active alloying elements, rare-earth metals and calcium refining in a vacuum (RU 231.11 004 C2. 2007).
Недостатком способа является то, что он неприменим к переработке свыше 40 мас.% отходов и к получению деформируемых никелевых жаропрочных сплавов.The disadvantage of this method is that it is not applicable to the processing of more than 40 wt.% Waste and to the production of deformable heat-resistant nickel alloys.
Известен способ получения жаропрочных никелевых сплавов путем переработки металлических отходов, включающий загрузку металлических отходов, расплавление и рафинирование их в вакууме 3·10-2-10-3 мм рт.ст.при температуре 1500-1700°С с введением в расплав рафинирующей добавки, в котором в качестве металлических отходов используют 100% некондиционных отходов, а рафинирование ведут с использованием в качестве рафинирующей добавки кальция (RU 2398905 С1, 10.09.2010).A known method of producing heat-resistant nickel alloys by processing metal waste, including loading metal waste, melting and refining them in vacuum 3 · 10 -2 -10 -3 mm RT.article at a temperature of 1500-1700 ° C with the introduction of a refining additive in the melt, in which 100% substandard waste is used as metal waste, and refining is carried out using calcium as a refining additive (RU 2398905 C1, 09/10/2010).
Недостатком данного способа является необходимость двойного переплава для получения сплава необходимого химического состава. Кроме того, рафинирование одним кальцием не может обеспечить глубокую комплексную очистку от примесей кислорода и азота.The disadvantage of this method is the need for double remelting to obtain an alloy of the required chemical composition. In addition, refining with calcium alone cannot provide a comprehensive deep cleaning of oxygen and nitrogen impurities.
Также известен способ удаления серы из никелевых жаропрочных сплавов посредством химико-термической обработки с применением MgO, Сr2O3, ВаО, СаО и других соединений (US 5346563 А, 13.09.1994).Also known is a method of removing sulfur from nickel refractory alloys by means of chemical-thermal treatment using MgO, Cr 2 O 3 , BaO, CaO and other compounds (US 5346563 A, 09/13/1994).
Недостатком данного метода является длительность термообработки (в тексте патента упоминается о 25-часовой термообработке при 1100°С) и отсутствие высокой чистоты получаемого сплава по примесям азота и кислорода.The disadvantage of this method is the duration of the heat treatment (the text of the patent mentions a 25-hour heat treatment at 1100 ° C) and the lack of high purity of the obtained alloy by impurities of nitrogen and oxygen.
Наиболее близким аналогом предлагаемого способа является способ получения никелевых жаропрочных сплавов с ультранизким содержанием серы, который включает плавление в тигле шихты в виде чистых шихтовых материалов, либо в виде отходов или смеси отходов и чистых шихтовых материалов, введение в шихту до или после образования расплава рафинирующей добавки в виде десульфурирующего вещества, разливку расплава через фильтр в оболочковую форму для кристаллизации в виде отливок (US 5922148 А, 13.07.1999).The closest analogue of the proposed method is a method for producing nickel heat-resistant alloys with ultra-low sulfur content, which includes melting in a crucible charge in the form of pure charge materials, or in the form of waste or a mixture of waste and pure charge materials, introducing a refining additive into the charge before or after the formation of the melt in the form of a desulfurizing substance, casting the melt through a filter into a shell mold for crystallization in the form of castings (US 5922148 A, 07/13/1999).
Недостатками данного способа являются:The disadvantages of this method are:
- отсутствие применения в качестве рафинирующего вещества РЗМ, обладающих высоким сродством к вредным примесям кислорода, серы и азота, и, как следствие, отсутствие обеспечения высокой чистоты металла по этим примесям;- the absence of the use of rare-earth metals as a refining substance, having a high affinity for harmful impurities of oxygen, sulfur and nitrogen, and, as a result, the lack of high metal purity for these impurities;
- то, что рафинирование происходит в одну стадию в вакууме, при этом часть рафинирующего вещества испаряется, не оказав никакого рафинирующего действия;- the fact that refining occurs in one stage in a vacuum, while part of the refining substance evaporates without any refining effect;
- то, что технология рассчитана для получения только литейных сплавов;- that the technology is designed to produce casting alloys only;
- вследствие недостаточно высокой чистоты сплава по вредным примесям, в том числе по кислороду и азоту, показатели его механических свойств, например длительной прочности, будут недостаточно высоки по сравнению с показателями механических свойств сплава, выплавленного по предложенному способу.- due to the insufficiently high purity of the alloy by harmful impurities, including oxygen and nitrogen, the indicators of its mechanical properties, for example, long-term strength, will not be high enough compared to the mechanical properties of the alloy smelted by the proposed method.
Задачей предложенного изобретения является разработка способа получения сплавов на основе никеля, обладающих стабильным химическим составом, высокой чистотой по вредным примесям и повышенными физико-механическими характеристиками.The objective of the proposed invention is to develop a method for producing nickel-based alloys with a stable chemical composition, high purity by harmful impurities and increased physical and mechanical characteristics.
Техническим результатом заявленного способа является получение из металлических отходов сплавов на основе никеля с ультранизким содержанием серы, кислорода и азота и повышенной длительной прочностью.The technical result of the claimed method is the production of nickel-based alloys from metal waste with an ultra-low content of sulfur, oxygen and nitrogen and increased long-term strength.
Технический результат достигается предложенным способом получения сплава на основе никеля, включающим загрузку в плавильный тигель шихты в виде металлических отходов или смеси металлических отходов и легирующих металлов, введение в шихту рафинирующей добавки, расплавление шихты и разливку полученного расплава через фильтр, при этом загружают шихту в виде металлических отходов или смеси металлических отходов и неактивных легирующих металлов, после чего в нижнюю часть плавильного тигля вводят используемый в качестве первой рафинирующей добавки, по меньшей мере, один щелочноземельный металл, расплавление шихты проводят в атмосфере аргона, после расплавления создают вакуум и проводят высокотемпературную обработку расплава при температуре 1600-1750°С в течение не менее 5 минут, затем в расплав вводят используемый в качестве второй рафинирующей добавки, по меньшей мере, один редкоземельный металл.The technical result is achieved by the proposed method for producing a nickel-based alloy, including loading a mixture in the form of metal waste or a mixture of metal waste and alloying metals into the melting crucible, introducing a refining additive into the mixture, melting the mixture and pouring the obtained melt through a filter, loading the mixture in the form metal waste or a mixture of metal waste and inactive alloy metals, after which the refining used as the first is introduced into the lower part of the melting crucible additives, at least one alkaline earth metal, the mixture is melted in an argon atmosphere, after melting, a vacuum is created and the melt is treated at high temperature at a temperature of 1600-1750 ° C for at least 5 minutes, then used as a second refining mixture is introduced into the melt additives of at least one rare earth metal.
Щелочноземельный металл предпочтительно выбрать из группы: кальций, магний, барий.The alkaline earth metal is preferably selected from the group: calcium, magnesium, barium.
Перед введением в нижнюю часть плавильного тигля первую рафинирующую добавку лучше предварительно завернуть в фольгу, состоящую, по крайней мере, из одного тугоплавкого металла, входящего в состав получаемого сплава.Before introducing the first refining additive into the lower part of the melting crucible, it is better to pre-wrap it in a foil consisting of at least one refractory metal that is part of the resulting alloy.
При необходимости после высокотемпературной обработки расплава в него вводят активные легирующие металлы.If necessary, after high-temperature processing of the melt, active alloying metals are introduced into it.
Разливку полученного расплава лучше осуществлять через пенокерамический фильтр с активной рабочей поверхностью.The casting of the obtained melt is best done through a ceramic foam filter with an active working surface.
Щелочноземельный металл желательно ввести в нижнюю часть плавильного тигля в виде бинарного сплава с металлом, входящим в состав получаемого сплава.An alkaline earth metal is preferably introduced into the lower part of the melting crucible in the form of a binary alloy with the metal included in the resulting alloy.
В таком случае первую рафинирующую добавку в нижнюю часть плавильного тигля лучше ввести в количестве 0,05-0,3 мас.% к массе шихты.In this case, the first refining additive in the lower part of the melting crucible is best introduced in an amount of 0.05-0.3 wt.% To the mass of the charge.
Редкоземельный металл желательно ввести в расплав в виде бинарного сплава с металлом, входящим в состав получаемого сплава.It is desirable to introduce a rare-earth metal into the melt in the form of a binary alloy with the metal that is part of the resulting alloy.
В таком случае вторую рафинирующую добавку лучше ввести в расплав в количестве 0,02-0,3 мас.% от массы расплава.In this case, the second refining additive is better introduced into the melt in an amount of 0.02-0.3 wt.% By weight of the melt.
Редкоземельный металл предпочтительно выбрать из группы: иттрий, лантан, диспрозий, празеодим, неодим, эрбий, церий, самарий, гадолиний, скандий.Rare earth metal is preferably selected from the group: yttrium, lanthanum, dysprosium, praseodymium, neodymium, erbium, cerium, samarium, gadolinium, scandium.
Во избежание взаимодействия материала тигля с легирующими металлами до расплавления шихты в тигель необходимо загружать только неактивные легирующие металлы. Это препятствует образованию нежелательных включений и позволяет получать суперсплавы, легированные редкоземельными металлами, с более стабильным химическим составом.In order to avoid interaction of the crucible material with alloying metals, only inactive alloying metals must be loaded into the crucible before the charge is melted. This prevents the formation of undesirable inclusions and makes it possible to obtain superalloys doped with rare-earth metals with a more stable chemical composition.
При необходимости активные легирующие металлы вводятся в расплав после высокотемпературной обработки. При проведении высокотемпературной обработки расплава процессы испарения легирующих металлов происходят более интенсивно, чем во время других этапов плавки, особенно это проявляется для активных легирующих металлов, которые при повышенных температурах могут также вступать во взаимодействие с материалом тигля. Введение этих металлов после проведения высокотемпературной обработки исключает их интенсивное испарение и взаимодействие с материалом тигля при повышенных температурах.If necessary, active alloying metals are introduced into the melt after high-temperature processing. During high-temperature processing of the melt, the processes of evaporation of alloying metals occur more intensively than during other stages of melting, especially for active alloying metals, which can also interact with crucible material at elevated temperatures. The introduction of these metals after high-temperature treatment excludes their intensive evaporation and interaction with the crucible material at elevated temperatures.
Использование в качестве первой рафинирующей добавки, по меньшей мере, одного ЩЗМ обусловлено их высоким химическим сродством к вредным примесям, особенно к кислороду и сере. При этом предпочтительно использовать кальций, магний и барий, поскольку эти элементы являются наиболее распространенными по применению в металлургии среди ЩЗМ. Их использование обусловлено относительной дешевизной, и, кроме того, работа с этими веществами не оказывает вредного влияния на организм человека.The use of at least one alkali metal oxide as the first refining additive is due to their high chemical affinity for harmful impurities, especially oxygen and sulfur. In this case, it is preferable to use calcium, magnesium and barium, since these elements are the most common for use in metallurgy among thyroid metals. Their use is due to the relative cheapness, and, in addition, working with these substances does not have a harmful effect on the human body.
ЩЗМ лучше вводить в нижнюю часть плавильного тигля в виде бинарных сплавов с металлами, входящими в состав получаемого суперсплава, поскольку в чистом виде ЩЗМ активно окисляются на воздухе, что может привести к дополнительному загрязнению расплава оксидами. Применение ЩЗМ в чистом виде менее технологично, поскольку возникает необходимость дополнительных операций для их измельчения при подготовке к плавке, а лигатуры с ЩЗМ, как правило, легко подвергаются измельчению. Кроме того, температура плавления ЩЗМ значительно ниже температуры плавления выплавляемого сплава, поэтому при использовании ЩЗМ в чистом виде рафинирующая добавка расплавится раньше основной шихты, что приведет к ряду негативных факторов, таких как излишнее испарение рафинирующей добавки и ее взаимодействие с материалом тигля. Применение бинарных сплавов позволяет приблизить температуру плавления рафинирующей добавки к температуре плавления основной шихты и предотвратить возможное загрязнение сплава оксидами.It is better to introduce alkali metal alloys into the lower part of the melting crucible in the form of binary alloys with metals that are part of the resulting superalloy, since in its pure form alkali metal alloys are actively oxidized in air, which can lead to additional pollution of the melt with oxides. The use of SHCHZM in its pure form is less technologically advanced, since there is a need for additional operations to grind them in preparation for melting, and ligatures with SHZM, as a rule, are easily chopped. In addition, the melting temperature of the alkali metal alloy is much lower than the melting point of the alloy being melted, therefore when using the alkali metal alloy in its pure form, the refining additive will melt before the main charge, which will lead to a number of negative factors, such as excessive evaporation of the refining additive and its interaction with the crucible material. The use of binary alloys makes it possible to bring the melting point of the refining additive closer to the melting temperature of the main charge and to prevent possible contamination of the alloy with oxides.
В таком случае первую рафинирующую добавку лучше вводить в нижнюю часть плавильного тигля в количестве 0,05-0,3 мас.% от массы шихты. Количество первой рафинирующей добавки зависит от степени загрязненности применяемых при выплавке отходов. Содержание ЩЗМ в готовых никелевых жаропрочных сплавах ограничено, поскольку их избыточное количество приводит к ухудшению механических свойств. Максимальное количество вводимой первой рафинирующей добавки ограничено допустимым содержанием ЩЗМ в готовом сплаве с учетом уменьшения их концентрации во время плавки за счет испарения и взаимодействия с вредными примесями.In this case, the first refining additive is better introduced into the lower part of the melting crucible in the amount of 0.05-0.3 wt.% By weight of the charge. The amount of the first refining additive depends on the degree of contamination used in the smelting of waste. The content of alkali metal oxide in finished nickel heat-resistant alloys is limited, since their excessive amount leads to a deterioration in mechanical properties. The maximum amount of the first refining additive introduced is limited by the permissible content of alkali metal oxide in the finished alloy, taking into account the decrease in their concentration during smelting due to evaporation and interaction with harmful impurities.
Поскольку щелочноземельные металлы даже в виде бинарных лигатур с компонентами сплава могут иметь более низкую температуру плавления относительно основной шихты, первую рафинирующую добавку лучше предварительно завернуть в фольгу, состоящую, по крайней мере, из одного тугоплавкого металла, входящего в состав сплава. Данная фольга будет препятствовать процессу индукционного нагрева рафинирующей добавки, процессу ее плавления, а также стеканию расплава на дно тигля. Таким образом, в первую очередь происходит плавление основной шихты, и рафинирующая добавка растворяется в жидком расплаве, благодаря чему взаимодействие проходит более глубоко.Since alkaline earth metals, even in the form of binary alloys with alloy components, can have a lower melting temperature relative to the main charge, it is better to first wrap the first refining additive in a foil consisting of at least one refractory metal included in the alloy. This foil will impede the process of induction heating of the refining additive, its melting process, as well as the flow of the melt to the bottom of the crucible. Thus, first of all, the main charge is melted, and the refining additive is dissolved in the liquid melt, due to which the interaction passes more deeply.
При рафинировании в вакууме часть рафинирующего вещества испаряется, не оказав никакого рафинирующего действия. Поскольку атмосфера аргона создает дополнительное давление, испарение рафинирующей добавки происходит менее интенсивно, за счет чего рафинирование происходит более глубоко.When refining in vacuum, part of the refining substance evaporates without any refining effect. Since the argon atmosphere creates additional pressure, the evaporation of the refining additive is less intense, due to which the refining occurs more deeply.
Режим высокотемпературной обработки выбран из расчета на то, что при температурах ниже 1600°С диффузионные процессы в расплаве происходят недостаточно интенсивно, что не позволяет провести глубокое рафинирование расплава от вредных примесей. При более высокой температуре, нежели 1750°С, может возникнуть активное взаимодействие расплава с материалом тигля. Данную обработку необходимо проводить не менее 5 минут, поскольку этого времени достаточно для удаления основной части вредных примесей, в частности азота, из расплава.The high-temperature treatment mode was chosen based on the fact that at temperatures below 1600 ° C the diffusion processes in the melt are not intensive enough, which does not allow deep refining of the melt from harmful impurities. At a higher temperature than 1750 ° C, an active interaction of the melt with the crucible material may occur. This treatment must be carried out for at least 5 minutes, since this time is sufficient to remove the main part of harmful impurities, in particular nitrogen, from the melt.
В качестве второй рафинирующей добавки необходимо использовать РЗМ, поскольку они имеют высокое сродство к кислороду, азоту и сере. После введения в расплав они взаимодействуют с этими вредными примесями, образуя тугоплавкие неметаллические включения, которые впоследствии адсорбируются на стенках тигля или удаляются из расплава при фильтрации.It is necessary to use rare-earth metals as the second refining additive, since they have a high affinity for oxygen, nitrogen, and sulfur. After introduction into the melt, they interact with these harmful impurities, forming refractory non-metallic inclusions, which are subsequently adsorbed on the walls of the crucible or are removed from the melt during filtration.
РЗМ, выбранные из группы: иттрий, лантан, диспрозий, празеодим, неодим, эрбий, церий, самарий, гадолиний, скандий, являются наиболее распространенными, а следовательно, наиболее доступными.REM selected from the group: yttrium, lanthanum, dysprosium, praseodymium, neodymium, erbium, cerium, samarium, gadolinium, scandium, are the most common, and therefore the most accessible.
РЗМ лучше вводить в расплав в виде бинарных сплавов с металлами, входящими в состав получаемого сплава. Температура плавления некоторых РЗМ значительно ниже температуры плавления выплавляемого сплава, поэтому при использовании РЗМ в чистом виде рафинирующая добавка расплавится практически мгновенно, что приведет к ее интенсивному испарению и возникновению брызг. Кроме того, многие РЗМ, как и ЩЗМ, в чистом виде активно окисляются на воздухе, что может привести к дополнительному загрязнению расплава оксидами. Применение бинарных сплавов позволяет приблизить температуру плавления рафинирующей добавки к температуре плавления сплава, предотвратив таким образом появление брызг при ее введении и исключая возможное загрязнение сплава оксидами.REMs are best introduced into the melt in the form of binary alloys with the metals that make up the alloy. The melting point of some rare-earth metals is much lower than the melting point of the alloy being melted, so when using rare-earth metals in its pure form, the refining additive will melt almost instantly, which will lead to its intense evaporation and the formation of sprays. In addition, many rare-earth metals, like alkaline earth metals, in their pure form are actively oxidized in air, which can lead to additional pollution of the melt with oxides. The use of binary alloys makes it possible to bring the melting point of the refining additive closer to the melting point of the alloy, thus preventing the occurrence of splashes during its introduction and eliminating possible contamination of the alloy with oxides.
В таком случае вторую рафинирующую добавку лучше вводить в расплав в количестве 0,02-0,3 мас.% от массы расплава.In this case, the second refining additive is best introduced into the melt in an amount of 0.02-0.3 wt.% By weight of the melt.
Количество второй рафинирующей добавки зависит от степени загрязненности применяемых при выплавке отходов. Содержание редкоземельных металлов так же, как и щелочноземельных, в готовых никелевых жаропрочных сплавах ограничено, поскольку их избыточное количество приводит к ухудшению механических свойств. Максимальное количество вводимой второй рафинирующей добавки ограничено допустимым содержанием редкоземельных металлов в готовом сплаве, с учетом уменьшения их концентрации во время плавки за счет испарения и взаимодействия с вредными примесями.The amount of the second refining additive depends on the degree of contamination used in the smelting of waste. The content of rare earth metals as well as alkaline earth metals in finished nickel refractory alloys is limited, since their excessive amount leads to a deterioration in mechanical properties. The maximum amount of the introduced second refining additive is limited by the permissible content of rare-earth metals in the finished alloy, taking into account the decrease in their concentration during smelting due to evaporation and interaction with harmful impurities.
Разливку полученного расплава желательно осуществлять через пенокерамический фильтр с активной рабочей поверхностью. Поскольку вредные примеси, в том числе кислород, азот и сера, связываются рафинирующими веществами в неметаллические включения, крупные включения будут улавливаться фильтром за счет размера ячейки, а более мелкие будут оставаться на поверхности фильтра за счет сил адсорбции. Кроме того, при наличии на поверхности фильтра активных веществ, например СаО, во время процесса фильтрации будет происходить дополнительное очищение расплава от примеси серы за счет химического взаимодействия.It is desirable to pour the obtained melt through a ceramic foam filter with an active working surface. Since harmful impurities, including oxygen, nitrogen and sulfur, are bound by refining substances into non-metallic inclusions, large inclusions will be captured by the filter due to the size of the cell, and smaller ones will remain on the filter surface due to adsorption forces. In addition, if there are active substances on the filter surface, for example, CaO, during the filtration process, additional purification of the melt from sulfur impurities due to chemical interaction will occur.
Установлено, что проведение рафинирования расплава в два этапа с использованием ЩЗМ в атмосфере аргона и РЗМ в вакууме позволяет осуществить глубокую очистку расплава от примесей серы, кислорода и азота и обеспечивает повышение длительной прочности получаемого суперсплава.It has been established that the refining of the melt in two stages using alkali metal oxide in an argon atmosphere and rare-earth metals in vacuum allows deep cleaning of the melt from impurities of sulfur, oxygen and nitrogen and provides an increase in the long-term strength of the resulting superalloy.
Примеры осуществления.Examples of implementation.
Пример 1.Example 1
По предлагаемому способу осуществляли выплавку деформируемого жаропрочного сплава на основе никеля ВЖ-175. Всего было выполнено 5 плавок. Плавки проводили в вакуумной индукционной печи. Масса шихты в тигле составляла 10 кг. В тигель загружали кондиционные отходы в виде обрези штамповок и головных частей слитков. Отходы загружали в тигель, уложив их слоями, причем между слоями нижней части проложили бинарные сплавы никель-магний и никель-кальций в виде мелких кусков неправильной формы, разделенные на несколько порций, завернутые в ниобиевую фольгу. После этого печь закрывали и проводили откачку до давления менее 5·10-3 мм рт. ст., напускали в плавильную камеру аргон до давления не менее 100 мм рт. ст. и начинали нагрев. После расплавления проводили откачку до не менее 5·10-3 мм рт. ст., проводили высокотемпературную обработку при температуре 1660°С в течение 10-15 минут, отбирали пробу металла для химического экспресс-анализа, по результатам которого расплав дошихтовывали до заданного состава. После растворения присаженных легирующих элементов в расплав присаживали лантан, скандий, эрбий и диспрозий в виде лигатур с никелем, проводили интенсивное перемешивание и приступали к сливу в стальную трубу через керамическую воронку с установленным пенокерамическим фильтром с активной рабочей поверхностью. Температура перед сливом на плавках составляла 1540-1560°С.According to the proposed method, smelting of a deformable heat-resistant alloy based on nickel VZh-175 was carried out. A total of 5 heats were completed. The melts were carried out in a vacuum induction furnace. The mass of the charge in the crucible was 10 kg Conditioned waste was loaded into the crucible in the form of trimmings of stampings and head parts of ingots. Waste was loaded into the crucible, laying them in layers, and between the layers of the lower part, binary nickel-magnesium and nickel-calcium alloys were laid in the form of small pieces of irregular shape, divided into several portions, wrapped in niobium foil. After that, the furnace was closed and pumping was carried out to a pressure of less than 5 · 10 -3 mm RT. Art., Argon was poured into the melting chamber to a pressure of at least 100 mm Hg. Art. and started heating. After melting, pumping to at least 5 · 10 -3 mm Hg was carried out. century, a high-temperature treatment was carried out at a temperature of 1660 ° C for 10-15 minutes, a metal sample was taken for chemical express analysis, according to the results of which the melt was stitched to a predetermined composition. After the alloying elements were dissolved, lanthanum, scandium, erbium, and dysprosium were placed in the melt in the form of ligatures with nickel, intensive mixing was carried out, and discharge to the steel pipe was started through a ceramic funnel with an installed ceramic foam filter with an active working surface. The temperature before discharge in swimming trunks was 1540-1560 ° C.
Технические параметры плавок, полученные результаты по содержанию серы, кислорода, азота и значения длительной прочности приведены в таблице 1.Technical parameters of the swimming trunks, the results obtained on the content of sulfur, oxygen, nitrogen and values of long-term strength are given in table 1.
Из таблицы 1 видно, что в сплаве, выплавленном по способу-прототипу, содержание примесей, особенно кислорода и азота, до 3-х раз выше, чем в сплаве, выплавленном по предложенному способу. Длительная прочность сплава, выплавленного предложенным способом, увеличилась в среднем в 1,59 раза.From table 1 it is seen that in the alloy smelted by the prototype method, the content of impurities, especially oxygen and nitrogen, is up to 3 times higher than in the alloy smelted by the proposed method. Long-term strength of the alloy smelted by the proposed method increased on average by 1.59 times.
Пример 2.Example 2
По предлагаемому способу осуществляли выплавку литейного жаропрочного сплава на основе никеля ЖС-32. Всего было сделано 5 плавок. Плавки проводили в вакуумной индукционной печи. Масса шихты в тигле составляла 10 кг. В тигель загружали отходы в виде головных и донных частей слитков. Отходы загружали в тигель, уложив их слоями, между которыми положили бинарные сплавы алюминий-барий и никель-кальций в виде мелких кусков неправильной формы, разделенные на несколько порций, завернутые в танталовую фольгу. После этого печь закрывали и проводили откачку до давления менее 5·10-3 мм рт. ст., напускали в плавильную камеру аргон до давления не менее 100 мм рт. ст. и начинали нагрев. После расплавления проводили откачку до не менее 5·10-3 мм рт. ст., проводили высокотемпературную обработку при температуре 1660°С в течение 10-15 минут, отбирали пробу металла для химического экспресс-анализа, по результатам которого расплав дошихтовывали до заданного состава. После растворения присаженных легирующих элементов в расплав присаживали иттрий, скандий и неодим в виде лигатур с никелем, проводили интенсивное перемешивание и приступали к сливу в стальную трубу через керамическую воронку с установленным пенокерамическим фильтром с активной рабочей поверхностью. Температура перед сливом на плавках составляла 1540-1560°С.According to the proposed method, the casting of heat-resistant alloy based on nickel ZhS-32 was carried out. A total of 5 swimming trunks was made. The melts were carried out in a vacuum induction furnace. The mass of the charge in the crucible was 10 kg Waste was loaded into the crucible in the form of head and bottom parts of ingots. Waste was loaded into the crucible, laying them in layers, between which binary alloys aluminum-barium and nickel-calcium were placed in the form of small pieces of irregular shape, divided into several portions, wrapped in tantalum foil. After that, the furnace was closed and pumping was carried out to a pressure of less than 5 · 10 -3 mm RT. Art., Argon was poured into the melting chamber to a pressure of at least 100 mm Hg. Art. and started heating. After melting, pumping to at least 5 · 10 -3 mm Hg was carried out. century, a high-temperature treatment was carried out at a temperature of 1660 ° C for 10-15 minutes, a metal sample was taken for chemical express analysis, according to the results of which the melt was stitched to a predetermined composition. After the alloyed elements were dissolved, yttrium, scandium and neodymium were placed in the melt in the form of alloys with nickel, intensive mixing was carried out, and discharge to the steel pipe was started through a ceramic funnel with an installed ceramic foam filter with an active working surface. The temperature before discharge in swimming trunks was 1540-1560 ° C.
Технические параметры плавок, полученные результаты по содержанию серы, кислорода, азота и значения длительной прочности приведены в таблице 2.Technical parameters of the swimming trunks, the results obtained on the content of sulfur, oxygen, nitrogen and values of long-term strength are shown in table 2.
Из таблицы 2 видно, что в сплаве, выплавленном по способу-прототипу, содержание примесей, особенно кислорода и азота, до 2,5 раз выше, чем в сплаве, выплавленном предложенным способом. Длительная прочность сплава, выплавленного предложенным способом, увеличилась в среднем в 1,51 раза.From table 2 it is seen that in the alloy smelted by the prototype method, the content of impurities, especially oxygen and nitrogen, is up to 2.5 times higher than in the alloy smelted by the proposed method. Long-term strength of the alloy smelted by the proposed method increased on average by 1.51 times.
Изобретение не ограничивается приведенными примерами.The invention is not limited to the examples given.
Предлагаемый способ позволяет получить в жаропрочных сплавах на основе никеля содержание серы ≤0,0001%, кислорода ≤0,0003%, азота ≤0,0003%. Тем самым устраняется вероятность образования дефектов в деталях в виде неметаллических включений, что позволяет повысить жаропрочные свойства сплава.The proposed method allows to obtain in heat-resistant nickel-based alloys sulfur content ≤0.0001%, oxygen ≤0.0003%, nitrogen ≤0.0003%. This eliminates the likelihood of defects in the details in the form of non-metallic inclusions, which improves the heat-resistant properties of the alloy.
Использование изобретения позволяет повысить ресурс и надежность работы авиационных высокожаропрочных газотурбинных двигателей.The use of the invention improves the resource and reliability of aircraft high-temperature gas turbine engines.
Claims (10)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014140419/02A RU2572117C1 (en) | 2014-10-07 | 2014-10-07 | Method of production of superalloys based on nickel and alloyed by rare-earth metals |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014140419/02A RU2572117C1 (en) | 2014-10-07 | 2014-10-07 | Method of production of superalloys based on nickel and alloyed by rare-earth metals |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2572117C1 true RU2572117C1 (en) | 2015-12-27 |
Family
ID=55023488
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2014140419/02A RU2572117C1 (en) | 2014-10-07 | 2014-10-07 | Method of production of superalloys based on nickel and alloyed by rare-earth metals |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2572117C1 (en) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2634828C1 (en) * | 2016-10-27 | 2017-11-03 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") | Method of producing heat-resistant nano-structured corrosion-resistant nickel-based alloys |
| RU2682266C1 (en) * | 2017-12-25 | 2019-03-18 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") | Method of manufacture of nickel-based high-temperature alloys (options) |
| RU2696999C1 (en) * | 2019-02-20 | 2019-08-08 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") | Nickel-based casting heat-resistant alloys production method |
| RU213556U1 (en) * | 2021-12-21 | 2022-09-15 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А." (СГТУ имени Гагарина Ю.А.) | ELECTRODE FOR COAGULATION OF BIOLOGICAL TISSUES |
| CN116949309A (en) * | 2023-09-20 | 2023-10-27 | 江苏美特林科特殊合金股份有限公司 | Method for preparing porous superalloy |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5346563A (en) * | 1991-11-25 | 1994-09-13 | United Technologies Corporation | Method for removing sulfur from superalloy articles to improve their oxidation resistance |
| US5922148A (en) * | 1997-02-25 | 1999-07-13 | Howmet Research Corporation | Ultra low sulfur superalloy castings and method of making |
| RU2398905C1 (en) * | 2009-10-22 | 2010-09-10 | Российская Федерация, от имени которой выступает государственный заказчик - Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) | Procedure for production of heat resistant nickel alloys by metal wastes processing |
-
2014
- 2014-10-07 RU RU2014140419/02A patent/RU2572117C1/en active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5346563A (en) * | 1991-11-25 | 1994-09-13 | United Technologies Corporation | Method for removing sulfur from superalloy articles to improve their oxidation resistance |
| US5922148A (en) * | 1997-02-25 | 1999-07-13 | Howmet Research Corporation | Ultra low sulfur superalloy castings and method of making |
| RU2398905C1 (en) * | 2009-10-22 | 2010-09-10 | Российская Федерация, от имени которой выступает государственный заказчик - Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) | Procedure for production of heat resistant nickel alloys by metal wastes processing |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2634828C1 (en) * | 2016-10-27 | 2017-11-03 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") | Method of producing heat-resistant nano-structured corrosion-resistant nickel-based alloys |
| RU2682266C1 (en) * | 2017-12-25 | 2019-03-18 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") | Method of manufacture of nickel-based high-temperature alloys (options) |
| RU2696999C1 (en) * | 2019-02-20 | 2019-08-08 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") | Nickel-based casting heat-resistant alloys production method |
| RU213556U1 (en) * | 2021-12-21 | 2022-09-15 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А." (СГТУ имени Гагарина Ю.А.) | ELECTRODE FOR COAGULATION OF BIOLOGICAL TISSUES |
| CN116949309A (en) * | 2023-09-20 | 2023-10-27 | 江苏美特林科特殊合金股份有限公司 | Method for preparing porous superalloy |
| CN116949309B (en) * | 2023-09-20 | 2023-12-01 | 江苏美特林科特殊合金股份有限公司 | Method for preparing porous superalloy |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| ES2751656T3 (en) | Processes for the production of nickel-based alloys containing chromium and chromium plus low nitrogen content niobium and essentially nitride free | |
| RU2572117C1 (en) | Method of production of superalloys based on nickel and alloyed by rare-earth metals | |
| CN113337727B (en) | Slag for preparing high-nitrogen steel through pressurized electroslag remelting for inhibiting burning loss of magnesium and rare earth and using method thereof | |
| WO2017166962A1 (en) | Melting process for nickel-based alloy containing aluminum, titanium, boron, and zirconium | |
| CN111534713A (en) | Purification treatment method of cast high-temperature alloy return material and high-temperature alloy | |
| RU2618038C2 (en) | Method for obtaining a heat-resistant alloy based on niobium | |
| CN110735067B (en) | Purification smelting process of nickel-based high-temperature alloy rich in active elements | |
| JP2015161022A (en) | Method for smelting highly clean steel | |
| RU2398905C1 (en) | Procedure for production of heat resistant nickel alloys by metal wastes processing | |
| EP2980233B1 (en) | Method for refining ti-based inclusions in maraging steel by vacuum arc remelting | |
| Sidorov et al. | Removal of a sulfur impurity from complex nickel melts in vacuum | |
| RU2541330C1 (en) | Method of fabrication castable refractory nickel-based alloys (versions) | |
| US20140178244A1 (en) | Gaseous based desulfurization of alloys | |
| AU2015312896A1 (en) | Method for deoxidizing Ti-Al alloy | |
| RU2392338C1 (en) | Method of heat-resistant nickel-based cast alloy obtainment | |
| Kablov et al. | Resource-saving technologies of making advanced cast and deformable superalloys with allowance for processing all types of wastes | |
| CN115948657A (en) | Purification and recovery method of high-temperature alloy return material | |
| CN107760902B (en) | A kind of method of refining of aluminium silicon systems cast aluminium alloy gold | |
| RU2749409C1 (en) | Method for smelting high-chromium nickel alloy of ep648-vi grade | |
| RU2682266C1 (en) | Method of manufacture of nickel-based high-temperature alloys (options) | |
| RU2344186C2 (en) | Method of production of cast heat resistant alloys on nickel base (versions) | |
| WO2021157628A1 (en) | PRODUCTION METHOD FOR Ti-AL BASED ALLOY | |
| RU2274671C1 (en) | Method of production of the carbon-free casting high-temperature alloys | |
| RU2353688C1 (en) | Melting method of carbon-free foundry heat-resistant alloys on basis of nickel | |
| RU2563403C1 (en) | Method of production of carbon-free foundry heat resisting nickel-based alloys |